研发人员开发出用于钢筋混凝土的预应力碳纤维增强聚合物

颗粒在线讯：混凝土是一种有价值的建筑材料，但像所有东西一样，它不会永远存在。桥梁、道路和其他结构中的裂缝是危险的，但由于成本高、环境影响大和过程冗长，直接更换它们不是一种好的方案。相反，这些结构必须得到修复和加固。曾经对结构修复通常会使用金属，但是金属容易因生锈和暴露于外等因素而损坏，从而限制了其应用。几十年来，混凝土结构一直使用碳纤维增强聚合物 (CFRP) 进行加固。

瑞士联邦材料科学与技术实验室Empa 的研究人员在之前的工作基础上，开发了一种使用CFRP 变体进一步加固结构的新方法。

背景概述

混凝土是地球上最常用的人造材料；它是一种复合材料，由波特兰水泥、水和骨料（如沙子、砾石或岩石）组成。混合后，它会变成一种可使用的糊状物，并在干燥时变硬。它价格便宜，使用寿命长，并且几乎不需要维护，但它的强度重量比很低，随着时间的推移，可能会出现裂缝。

长期以来，CFRP一直被用于修复难以承受负载的支撑结构。例如，1960 年代中期至 1980 年代建造的桥梁在设计时考虑的交通量要比如今少得多。连接到结构下侧的扁平薄板可以抵消不断增加的荷载。薄板是一种结构元素，结合在双向跨越网格系统中；这样的模式允许由短的、几何上简单的组件构成大型复杂结构。这些网格使修复而不是替换结构成为可能。

方法改进

EBROG 是 2018 年首次用于翻新 Küssnacht 一座桥梁的方法。例如，在混凝土梁上纵向铣削窄槽，然后将钢筋（薄板）从外部粘合到该区域。通道用于增加传力的表面积，并更深地渗透到混凝土中。

Empa 研究人员正在通过测试预应力 CFRP 层压板来开发这种方法，该层压板可主动加固混凝土梁。在拉伸应力下，它们与环氧树脂粘合。一旦粘结硬化，承受巨大拉力的末端就会松弛。

Empa 团队专门为新方法设计了由 CFRP 制成的 U 形箍筋（图中左侧）。颜色表示材料上的负载：黄色表示高负载；红色最强。

为了防止末端撕裂，它们必须牢固固定，通常用铝板粘合并用销钉固定。Empa 团队已将其替换为 U 形 CFRP 箍筋，从而可以更精确地定义力的传递。由于它不含金属，因此不易受到元素的影响。

Christoph Czaderski，Empa 工程结构实验室研究主管介绍道由单一材料制成的解决方案总是优于两种性能不同的材料，特别是对于锚固，我们在实验室进行了大量测试。

将技术推向市场

实验室测试表明潜力巨大。与经典加固方法相比，预应力和 CFRP 箍筋使混凝土板的承载能力提高了77%。即使没有预应力，仍有 34% 的差异。但是，这还需要进一步测试；将在跨度为 6 m 的混凝土板上进行大规模评估，以准确了解该方法在实际修复项目中的效果，然后才能将该技术推向市场。

行业合作伙伴S&P Clever Reinforcement Company已经在实践方面开展工作，开发用于创建 U 形箍筋的工业工艺，该箍筋以前是由碳型材手工制成的。用于对薄片施加预应力的设备也必须重新设计。该技术可应用于任何需要维修的结构，从桥梁到住宅装修，节省成本并减少其他过程造成的二氧化碳排放。对于建筑业主来说，它也更容易、更快且价格合理。